棒材Ф550粗轧机组轧辊优化设计

刘桂华，禹国刚，刘宝超

（1.天津钢铁集团有限公司，天津300301；2.天津理工大学工程训练中心，天津300191）

棒材Ф550粗轧机组轧辊优化设计

刘桂华1，禹国刚2，刘宝超1

（1.天津钢铁集团有限公司，天津300301；2.天津理工大学工程训练中心，天津300191）

针对棒材Ф550粗轧机组轧辊发生的辊颈断裂事故，分析出产生原因为球墨铸铁轧辊辊颈强度不足。通过选用半钢轧辊、重新优化设计其配辊，校核与计算Ф550半钢轧辊辊颈强度，能够满足生产需求，避免了轧辊辊颈断裂的事故，保证了生产的稳定顺行。

轧辊；辊颈；强度；材质；安全系数

1　引言

目前小型轧机的主导机型为短应力线轧机，无牌坊的拉杆结构，使轧制力应力回线缩短，轧机的整体刚度增强，设备总重降低，产品质量提高［1］。我公司棒材生产线始建于2004年，2006年2月建成投产。轧机主体设备和工艺技术由意大利达涅利公司引进，电气传动和自动化控制系统由意大利安萨尔多公司引进。生产线由18架摩根沙码第五代高刚度短应力线轧机组成，以6-8-4工艺布局，平立交替布置。产品规格包括Φ10～Φ50mm螺纹钢和Φ16～Φ75mm热轧圆钢［2］。摩根沙码第五代高刚度短应力线轧机采用短的应力回线结构，棒材生产线中粗轧、中轧及精轧机组仅采用此短应力线轧机，有效地提高了轧机的刚度和产品尺寸精度。其中轧辊是轧机的主要负载件，直接与红钢接触，在轧制压力作用下，会产生弹性变形，轧辊设计直接影响钢材的产量与质量。意大利达涅利公司设计棒材生产线有6架粗轧机组，其中1～4架轧机轧辊直径Φ650 mm，辊身长度1 100 mm；5～6架轧机轧辊直径Φ550 mm，辊身长度700 mm，轧辊材质均为珠光体球墨铸铁。自2006年棒材厂投产以来，第5架轧机曾多次发生轧辊辊颈断裂，造成严重生产事故，问题处理时间长，给生产带来极大的安全隐患。本文通过对第5架轧机轧辊辊颈强度的校核以及轧辊材质和配辊设计优化，使轧辊满足生产要求，保证生产的稳定顺行。

2　Φ550铸铁轧辊辊颈强度校核与计算

轧辊是由辊身、辊径、辊头等3部分构成。辊身和辊颈的过渡区几何形状不连续，会产生应力集中，且辊颈比辊身直径小，这是轧辊最薄弱的地方，断辊事故常发生在此位置。轧制力沿垂直方向作用于轧辊上，轧辊受力图如图1所示。

2.1支反力计算

式中，P为最大轧制力；C为支撑点到辊身距离；L为辊身长度；RB为支反力；a为压下螺丝间距。

2.2辊径弯曲力矩计算

图1　轧辊受力示意图

式中，Mj为辊径弯曲力矩。

2.3辊径弯曲应力计算

式中：σj为辊颈弯曲应力；d为辊颈直径。

2.4辊颈扭转力矩计算

式中：Mn为辊颈扭转力矩；Δh为最大压下量；v1为轴承摩擦系数。

2.5辊颈扭转应力计算

式中，τn为辊颈扭转应力。

2.6球墨铸铁轧辊的合成应力计算

式中，σh为合成应力。

2.7安全系数

由表1可知，Φ550铸铁轧辊辊颈合成应力180.44 MPa，球墨铸铁轧辊许用应力为78.4～117.6 MPa，辊颈合成应力大于铸铁轧辊许用应力值；辊颈安全系数2.49小于3，因此，达涅利公司设计粗轧机组第5架轧机，因压下量大，承受轧制力大，Ø550轧辊选用珠光体铸铁材质不能满足强度要求，导致辊颈断裂事故的发生。

3　Ф550轧辊材质与配辊设计优化

3.1轧辊材质优化

达涅利原设计第5架轧机Φ550轧辊材质为珠光体球墨铸铁轧辊，根据国标GB/T1504-2008铸铁轧辊标准，辊颈抗拉强度要求≥450MPa。结合棒材实际生产情况，所有规格产品第5架轧机最大压下量为42mm，从而计算得到生产过程中最大轧制力1 500 kN，辊颈弯曲应力156.17 MPa，扭转应力58.38 MPa，合成应力180.44 MPa，均大于铸铁轧辊许用应力，因此，认定球墨铸铁轧辊选材不合理，而选用半钢轧辊材质。依据国标GB/T1503-2008铸钢轧辊标准，辊颈抗拉强度≥600 MPa，能够满足生产要求。

表1　Ф550铸铁轧辊辊颈强度参数计算表

3.2轧辊配辊设计优化

Φ550轧辊辊身长度700 mm，达涅利原设计配辊4个轧槽，第一个轧槽中心距轧辊边缘距离为113 mm，而轧辊辊颈均是在使用第一个轧槽轧制过程中发生断裂。考虑到轧辊辊颈上的弯曲应力是由最大支反力决定，必须通过加大第一个轧槽与轧辊边缘距离的方式减小轧制过程中作用在轧辊辊颈上的支反力和弯曲应力。因此将辊身配辊由4个轧槽优化设计为3个，第一个轧槽中心到轧辊边缘距离变为192 mm，轧辊的安全系数就会增加。

3.3Φ550半钢轧辊辊颈强度校核与计算

在轧辊材质和配辊设计完成后，同样要对半钢轧辊辊颈的弯曲和扭转应力进行核算，所有参数计算与铸铁轧辊相同，只是合成应力计算因材质不同而有所区别，铸铁轧辊用摩尔理论（第二强度理论）计算合成应力，而钢轧辊根据第四强度理论计算合成应力，计算公式为：

式中，σh为合成应力。

计算结果如表2所示。由表2可知，粗轧机组第5架轧机选用半钢轧辊优化设计配辊后，辊颈安全系数达到3.6。对于正常棒材生产，辊颈安全系数可取3～5，因此半钢轧辊辊颈强度满足生产要求，能够保证生产顺行。

表2　设计优化后Ø550半钢轧辊辊颈强度参数计算表

4　轧辊使用情况

粗轧机组第5架轧机的Φ550轧辊优化为半钢材质，配辊设计成3个轧槽，对实际生产过程中第一个轧槽的使用情况进行跟踪（见表3）。同时考虑到影响轧辊使用寿命的因素，除了弯曲应力、扭转应力、接触应力外，还有因温度分配不均匀或交替变化引起的温度应力过大，压下量过大，造成轧机负载过大等因素。因此，为提高轧辊的安全系数，优化了各钢种的加热工艺和粗轧机组轧制技术参数，适当提高开轧温度，合理分配各道次压下量，降低了第5架轧机的轧制负荷。

表3　第5架轧机新材质轧辊使用后第一个轧槽的过钢量跟踪/t

半钢材质Φ550轧辊投入使用后，没有再发生轧辊辊颈断裂的事故，第一个轧槽过钢量正常，为安全稳定生产提供了有力的保障。

5　结论

利用摩尔理论（第二强度理论）计算校核粗轧机组第5架轧机Φ550铸铁轧辊辊颈强度，分析出辊颈断裂的原因是轧辊辊颈合成应力大于铸铁轧辊许用应力，且安全系数低。根据辊颈断裂均发生在使用边沿轧槽的特点，重新优化设计了轧辊配辊、各钢种的加热工艺和粗轧机组轧制技术参数，适当提高开轧温度，合理分配各道次压下量。选用半钢材质轧辊，根据第四强度理论计算辊颈的合成应力，得出轧辊辊颈的安全系数，可以满足生产需求。

［1］贾慧灵，任学平，窦剑琳.Ф320轧机轧辊强度有限元分析［J］.冶金设备，2008，168（2）：8-37.

［2］刘桂华.Ф16 mm螺纹钢三切分轧制工艺开发与应用［J］.天津冶金，2015（4）：41-44.

［3］邹家祥.轧钢机械［M］.3版.北京：冶金工业出版社，2000.

Optim ization of Design for Roll ofФ550 Bar Roughing M ill

LIU Gui-hua1，YU Guo-gang2and LIU Bao-chao1
（1.Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；
2.Engineering Training Center of Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China）

The cause for the accident of roll neck rupture at roll ofФ550 bar roughingmill was analyzed as the deficiency of the strength of ductile cast iron roll neck.The production demand wasmet through selecting semisteel roll，re-optimizing design and roll arrangement and calculating and checking the strength ofФ550 semisteel roll neck.The reoccurrence of the same rupture was avoided and stable and smooth production ensured.

roll；roll neck；strength；material；safety factor

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.014

2016-04-08

2016-04-25

刘桂华（1968—），女，硕士，高级工程师，主要从事棒材生产技术研发及管理工作。